牛荻濤，楊德柱，羅大明

(1 西安建筑科技大學(xué)西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055；2 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安 710055)

0 概述

在土木工程發(fā)展歷程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一直占據(jù)主導(dǎo)地位。目前我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋約占總建筑面積的60%～70%，橋梁結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)、港工結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)所占比例更大。我國地域遼闊、氣候環(huán)境復(fù)雜多變，酸性氣體、酸雨、凍融、氯鹽等環(huán)境因素作用對(duì)既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，造成一些關(guān)系國計(jì)民生的重大土木工程過早地出現(xiàn)耐久性損傷，甚至提前退役。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年腐蝕損失約占國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)總值的5%，其中基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕損失占40%以上[1]，遠(yuǎn)大于火災(zāi)、水災(zāi)、風(fēng)災(zāi)等損失的總和。根據(jù)中國工程院《中國工業(yè)和自然環(huán)境腐蝕調(diào)查與對(duì)策》統(tǒng)計(jì)結(jié)果，我國土木工程(包括建筑、橋梁、水利、公路、港口)每年腐蝕損失總計(jì)達(dá)1 000億人民幣，耐久性腐蝕破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失及其修復(fù)費(fèi)用已引起社會(huì)各界的普遍關(guān)注。

由于環(huán)境侵蝕、材料劣化及使用不當(dāng)，大量既有混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性損傷及性能下降。近年來，為滿足既有混凝土結(jié)構(gòu)安全性與使用性評(píng)定的需要，我國相繼編制了《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50292—1999)、《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50144—2008)，這些標(biāo)準(zhǔn)的編制為既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠性鑒定提供了依據(jù)，對(duì)保證既有混凝土結(jié)構(gòu)的安全使用發(fā)揮了重要作用，但其中僅涉及了一些可靠性評(píng)估方面的內(nèi)容，缺少系統(tǒng)的耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與定量評(píng)定方法，不能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用年限做出科學(xué)評(píng)估。《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 50476—2008)提供了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的方法，為新建混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，但并不能解決既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)定與剩余壽命預(yù)測(cè)問題。由西安建筑科技大學(xué)主編的《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 220∶2007)初步解決了我國既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)評(píng)定方面的技術(shù)難題，為既有混凝土耐久性評(píng)定提供了依據(jù)，填補(bǔ)了我國在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測(cè)評(píng)定方面的空白，但其技術(shù)內(nèi)容是基于2005年以前的工程實(shí)踐與研究成果編制的，尚存在許多不足和有待完善之處。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題十分復(fù)雜，耐久性損傷破壞往往是多種環(huán)境因素及荷載因素共同作用的結(jié)果。另一方面，混凝土材料、結(jié)構(gòu)也在不斷發(fā)展，基于概率理論的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)估已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。因此，匯集近年來的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估理論與方法[2-5]、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與最新研究成果，使我國在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定與壽命預(yù)測(cè)領(lǐng)域的技術(shù)水平處于國際先進(jìn)行列，提出適用于我國的既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定方法體系十分必要。

為合理評(píng)定既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，保證既有混凝土結(jié)構(gòu)在目標(biāo)使用年限內(nèi)的安全和正常使用，需要科學(xué)評(píng)估既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，明確混凝土結(jié)構(gòu)可能遭受的一般環(huán)境、氯鹽環(huán)境、凍融環(huán)境、硫酸鹽侵蝕環(huán)境等各類侵蝕環(huán)境作用下的耐久性評(píng)定原則和方法，合理預(yù)測(cè)其剩余使用年限，為結(jié)構(gòu)的維修、加固提供決策依據(jù)。

1 耐久性評(píng)定理論基礎(chǔ)

自20世紀(jì)80年代以來，隨著國家有關(guān)部委對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重視，諸多學(xué)者采取理論分析、試驗(yàn)研究與實(shí)際工程調(diào)查相結(jié)合的研究方法，從環(huán)境層次、材料層次、構(gòu)件層次、結(jié)構(gòu)層次4個(gè)方面，圍繞混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了較為全面、系統(tǒng)的研究，取得了一系列研究成果。在耐久性環(huán)境區(qū)劃、沿海地區(qū)氯離子侵蝕、中西部地區(qū)混凝土中性化、典型地區(qū)硫酸鹽侵蝕、寒冷地區(qū)凍融及鹽凍等單因素作用與多因素耦合作用[6-7]混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)以及摻合料混凝土、纖維復(fù)合材料等新型混凝土材料與結(jié)構(gòu)耐久性方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，揭示了多因素耦合作用下混凝土材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)耐久性的劣化規(guī)律，建立了混凝土劣化模型[8-9]和結(jié)構(gòu)性能退化模型[10]，提出了一些混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)方法[11-12]，完善了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定體系及評(píng)定方法。

2 耐久性評(píng)定范圍和時(shí)間

結(jié)構(gòu)由于所受外力的改變導(dǎo)致其材料應(yīng)力發(fā)生變化，或者由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形而使其幾何形狀、裂縫形態(tài)顯著變化，或者由于使用環(huán)境的改變，導(dǎo)致構(gòu)件混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋銹蝕、填充墻開裂及屋面積水等，都會(huì)加速混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化。

近年來，世界多個(gè)國家相繼出臺(tái)了建筑物定期檢測(cè)評(píng)價(jià)法規(guī)。新加坡的建筑物管理法強(qiáng)制規(guī)定，居住建筑在建造后10年及以后每隔10年必須進(jìn)行強(qiáng)制鑒定，公共、工業(yè)建筑則為建造后5年及以后每隔5年進(jìn)行一次強(qiáng)制鑒定。日本通常要求建筑物服役20年后進(jìn)行一次鑒定。英國等國家對(duì)于體育場(chǎng)館等人員密集的公共建筑，作了強(qiáng)制定期鑒定的規(guī)定。我國《建筑工程質(zhì)量管理?xiàng)l例》第42條明確規(guī)定“建設(shè)工程在超過合理使用年限后需要繼續(xù)使用的，產(chǎn)權(quán)所有人應(yīng)當(dāng)委托具有相應(yīng)資質(zhì)等級(jí)的勘察、設(shè)計(jì)單位鑒定，并根據(jù)鑒定結(jié)果采取加固、維修等措施，重新界定使用期”。《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)中規(guī)定“對(duì)于70年代及以前的建筑”，應(yīng)進(jìn)行耐久性鑒定。

根據(jù)我國工程經(jīng)驗(yàn)，在保證建筑物安全性的前提下，民用建筑使用30～40年、工業(yè)建筑及露天結(jié)構(gòu)使用20年左右宜進(jìn)行耐久性評(píng)定；重要工程結(jié)構(gòu)在一般環(huán)境下使用5～10年，在嚴(yán)酷環(huán)境下使用3～5年宜進(jìn)行耐久性評(píng)定；對(duì)核電站結(jié)構(gòu)、大型橋梁、海洋平臺(tái)、大壩、地鐵等重要的基礎(chǔ)設(shè)施以及設(shè)計(jì)使用年限為100年的工程結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)具體情況設(shè)置檢測(cè)評(píng)定周期，如在一般環(huán)境下使用10年左右，在嚴(yán)酷環(huán)境下使用5年左右宜進(jìn)行耐久性評(píng)定。當(dāng)結(jié)構(gòu)的使用功能或環(huán)境發(fā)生明顯改變，或達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限擬繼續(xù)使用，或設(shè)計(jì)單位、使用單位有特別的評(píng)定要求時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行耐久性評(píng)定。

3 耐久性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為方便業(yè)主對(duì)既有建筑進(jìn)行維護(hù)管理，從宏觀上定性把握結(jié)構(gòu)耐久性狀況，同時(shí)也與工業(yè)建筑、民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)中的適用性評(píng)定相協(xié)調(diào)，可依據(jù)目標(biāo)使用年限內(nèi)是否滿足耐久性要求，采用三個(gè)等級(jí)對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐久性能進(jìn)行評(píng)定。目標(biāo)使用年限一般由業(yè)主與評(píng)定人員根據(jù)使用要求和結(jié)構(gòu)當(dāng)前的技術(shù)狀況協(xié)商確定。

依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153—2008)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)按照其可逆程度取0～1.5。由于耐久性損傷往往是不可逆的，因此取上限作為A(a)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，即不采取任何附加措施，可符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的要求；對(duì)于B(b)級(jí)下限，混凝土結(jié)構(gòu)僅在均值意義上符合耐久性要求，會(huì)有部分構(gòu)件不能符合要求；對(duì)于C(c)級(jí)，會(huì)有超過50%的構(gòu)件不能符合要求而需要大修。

4 耐久性評(píng)定方法

結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件和結(jié)構(gòu)當(dāng)前的技術(shù)狀況決定結(jié)構(gòu)耐久性能的優(yōu)劣，環(huán)境類別和環(huán)境作用等級(jí)共同決定了環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的作用程度，而結(jié)構(gòu)當(dāng)前的技術(shù)狀況及使用要求則決定了其后續(xù)使用年限。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性和可修復(fù)性用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的安全裕度，一般來說，目標(biāo)使用年限越長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性越高、可修復(fù)性越差的結(jié)構(gòu)，耐久性評(píng)定時(shí)應(yīng)將安全裕度適當(dāng)提高，以保證結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有足夠的安全儲(chǔ)備。

在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定時(shí)，有些情況能夠預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的剩余使用年限，有些則不能或當(dāng)前沒有條件預(yù)測(cè)其剩余使用年限。如氯鹽侵蝕環(huán)境以鋼筋開始銹蝕作為耐久性失效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于在制備時(shí)摻入氯鹽的混凝土，僅能根據(jù)混凝土中的氯離子濃度和引起鋼筋銹蝕的臨界濃度的比值，確定鋼筋是否發(fā)生銹蝕，以此判斷耐久性能的好壞，此時(shí)是沒有時(shí)間參數(shù)介入的。又如凍融破壞和堿-骨料反應(yīng)引起的破壞，由于受現(xiàn)有認(rèn)識(shí)水平的限制，當(dāng)前還不能給出性能時(shí)變模型，也只能借助某些耐久性損傷指標(biāo)評(píng)價(jià)其耐久性能的優(yōu)劣。因此，在進(jìn)行耐久性評(píng)定時(shí)，給出按剩余使用年限和按耐久性損傷狀態(tài)兩種評(píng)定方法，如圖1所示。

圖1 耐久性評(píng)定方法

耐久性裕度系數(shù)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境類別及作用等級(jí)、結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況，并考慮耐久重要性系數(shù)γ0，按下式確定：

(1)

(2)

式中：tre為結(jié)構(gòu)剩余使用年限；te為目標(biāo)使用年限；[Ω]為某項(xiàng)性能指標(biāo)的臨界值；Ω為某項(xiàng)性能指標(biāo)的評(píng)定值。

對(duì)于一般大氣環(huán)境，分析結(jié)果表明，當(dāng)耐久性裕度系數(shù)ξd=1.0時(shí)，對(duì)應(yīng)的可靠指標(biāo)β為0，保證率為50%，即從平均意義上講，在目標(biāo)使用年限終結(jié)時(shí)，構(gòu)件即開裂。在常用參數(shù)范圍內(nèi)，ξd=1.5時(shí)，β為0.57～0.63，保證率為72%～74%；ξd=1.8時(shí)，β為0.77～1.06，保證率為78%～86%?？紤]到現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50153—2008)對(duì)結(jié)構(gòu)適用性的可靠度要求，ξd取1.8為A(a)級(jí)的下限較為合理。

表1的等級(jí)劃分依據(jù)一般大氣環(huán)境給出，其他環(huán)境類別相對(duì)惡劣，在相同保證率下同一耐久性等級(jí)對(duì)應(yīng)的耐久性裕度相對(duì)較低，但由于其他環(huán)境下的相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料較為缺乏，因此其他環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定中可采用相同的耐久性等級(jí)劃分界限，評(píng)定結(jié)果偏于安全。

5 不同環(huán)境下混凝土耐久性評(píng)定

5.1 一般環(huán)境

一般環(huán)境由中性化引起混凝土堿度降低，造成鋼筋鈍化膜破壞[13-14]，當(dāng)脫鈍鋼筋表面存在其電化學(xué)反應(yīng)所需氧和水時(shí)，鋼筋即發(fā)生銹蝕。對(duì)預(yù)應(yīng)力或嚴(yán)格不允許鋼筋發(fā)生銹蝕的混凝土構(gòu)件應(yīng)采用鋼筋開始銹蝕耐久性極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定。

一般環(huán)境條件下碳化或中性化引起的鋼筋銹蝕[15-17]在保護(hù)層開裂前屬于微電池腐蝕，鋼筋銹蝕相對(duì)均勻。鋼筋銹蝕產(chǎn)物是鋼材原體積的2～4倍[18]，從而在混凝土保護(hù)層內(nèi)產(chǎn)生膨脹壓力，引起混凝土保護(hù)層出現(xiàn)順筋銹脹裂縫，對(duì)一般室內(nèi)構(gòu)件宜采用混凝土保護(hù)層銹脹開裂極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定。

保護(hù)層開裂后，裂縫處鋼筋成為陽極，以宏電池腐蝕為主，鋼筋銹蝕速率加快。對(duì)于外觀要求不高的室外構(gòu)件和一些重工業(yè)廠房混凝土構(gòu)件，一般可用混凝土表面出現(xiàn)可接受最大外觀損傷的時(shí)間確定其剩余使用年限，相應(yīng)銹脹裂縫寬度大致在2～3mm范圍內(nèi)，定義為混凝土銹脹裂縫寬度極限狀態(tài)，此時(shí)已不能符合適用性規(guī)定，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

對(duì)于一般環(huán)境，現(xiàn)有研究相對(duì)成熟，可通過鋼筋開始銹蝕極限狀態(tài)、混凝土保護(hù)層銹脹開裂極限狀態(tài)和混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度極限狀態(tài)預(yù)測(cè)剩余耐久年限，并采用下述公式計(jì)算耐久性裕度系數(shù)進(jìn)行耐久性評(píng)定。

ξd=(t-t0)/(γ0te)

(3)

式中：t為不同耐久性極限狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的耐久年限，其中鋼筋開始銹蝕耐久年限、混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限和混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度限值耐久年限分布用ti，tcr和td表示；t0為結(jié)構(gòu)建成至檢測(cè)時(shí)的時(shí)間。

鋼筋開始銹蝕耐久年限ti按下式確定：

ti=15.2KkKcKm

(4)

式中Kk，Kc和Km分別為碳化系數(shù)、保護(hù)層厚度和局部環(huán)境對(duì)鋼筋開始銹蝕耐久年限的影響系數(shù)。

混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限tcr按下式確定：

tcr=ti+tc

(5)

tc=HcHfHdHTHRHHmtr

(6)

式中：tc為鋼筋開始銹蝕至保護(hù)層銹脹開裂所需時(shí)間；tr為各項(xiàng)影響系數(shù)為1.0時(shí)構(gòu)件自鋼筋開始銹蝕到保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間，對(duì)室外環(huán)境，梁、柱取1.9，墻、板取4.9；對(duì)室內(nèi)環(huán)境，梁、柱取3.8，墻、板取11.0；Hc，Hf，Hd，HT，HRH和Hm分別為保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和局部環(huán)境對(duì)混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限的影響系數(shù)。

混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度限值耐久年限td按下式確定：

td=ti+tc1

(7)

tc1=FcFfFdFTFRHFmtd0

(8)

式中：tcl為鋼筋開始銹蝕至混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度達(dá)到限值所需時(shí)間；td0為各項(xiàng)影響系數(shù)為1.0時(shí)自鋼筋開始銹蝕至混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度達(dá)到限值的年限；Fc，F(xiàn)f，F(xiàn)d，F(xiàn)T，F(xiàn)RH和Fm分別為保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度以及局部環(huán)境對(duì)混凝土保護(hù)層銹脹裂縫寬度限值耐久年限的影響系數(shù)。

5.2 氯鹽侵蝕環(huán)境

氯離子半徑小，穿透力極強(qiáng)，通過滲入或摻入混凝土后，迅速到達(dá)鋼筋表面，破壞鈍化膜形成腐蝕電池，氯離子與鐵離子反應(yīng)，生成FeCl在水中遇OH-立即生成Fe(OH)2[18]，氯離子不會(huì)因腐蝕反應(yīng)而減少，起的是催化作用、去極化作用和導(dǎo)電作用，使電化學(xué)反應(yīng)加快，因此對(duì)氯鹽侵蝕環(huán)境，鋼筋銹蝕危險(xiǎn)性隨混凝土中氯離子濃度增加而增大。當(dāng)混凝土中的氯離子濃度超過氯離子臨界濃度值時(shí)，鋼筋表面的鈍化膜就會(huì)遭到破壞，只要其他必要條件也已具備(主要是鋼筋銹蝕所需的水與氧氣)，就會(huì)導(dǎo)致鋼筋銹蝕，進(jìn)而影響到混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕速率比碳化引起的鋼筋銹蝕速率要快，在保護(hù)層開裂前，氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕相對(duì)均勻，銹蝕速率相對(duì)較慢；保護(hù)層開裂后，隨著氯離子侵蝕路徑的增多，侵蝕速度加快，引發(fā)鋼筋銹蝕速率增加，結(jié)構(gòu)性能退化明顯加快。根據(jù)鋼筋銹蝕對(duì)既有混凝土構(gòu)件危害程度，氯鹽侵蝕環(huán)境可選擇不同的耐久性極限狀態(tài)進(jìn)行耐久性評(píng)定。對(duì)于目標(biāo)使用年限內(nèi)不允許鋼筋銹蝕的構(gòu)件，如預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力筋，宜采用鋼筋開始銹蝕極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定；對(duì)于目標(biāo)使用年限內(nèi)不允許出現(xiàn)混凝土保護(hù)層銹脹裂縫的構(gòu)件應(yīng)采用混凝土保護(hù)層銹脹開裂極限狀態(tài)進(jìn)行評(píng)定。

考慮氯鹽環(huán)境下混凝土保護(hù)層開裂后結(jié)構(gòu)性能退化明顯加快，銹脹開裂至裂縫寬度達(dá)到限值所需時(shí)間較短，因此將混凝土保護(hù)層銹脹開裂作為耐久性壽命終結(jié)標(biāo)志。

氯鹽侵蝕環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的耐久性裕度系數(shù)按下式確定：

ξd=(t-t0)/(γ0te)

(9)

式中t為鋼筋開始銹蝕或混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限，其中，鋼筋開始銹蝕耐久年限和混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限分布用ti和tcr表示。

氯鹽侵蝕環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋開始銹蝕耐久年限按下式確定：

(10)

(11)

氯鹽侵蝕環(huán)境混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限按下式確定：

tcr=ti+tc

(12)

tc=β1β2tc,0

(13)

式中：tcr為混凝土保護(hù)層銹脹開裂耐久年限；tc,0為未考慮銹蝕產(chǎn)物滲透遷移及銹坑位置修正的鋼筋開始銹蝕至混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間；β1為考慮銹蝕產(chǎn)物向銹坑周圍遷移及向混凝土孔隙、微裂縫擴(kuò)散對(duì)混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的修正系數(shù)；β2為考慮多個(gè)銹坑及分布對(duì)混凝土保護(hù)層開裂時(shí)間的修正系數(shù)。

5.3 凍融環(huán)境

關(guān)于混凝土凍融損傷機(jī)理[19]及劣化規(guī)律[20-22]、抗凍性評(píng)價(jià)指標(biāo)[23-24]、凍融破壞[25]預(yù)防等方面，各國學(xué)者開展了大量理論分析和試驗(yàn)研究，但至今還沒有普遍認(rèn)可的時(shí)變模型，選擇合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)成為凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定的難題。

一方面，混凝土凍融損傷造成混凝土材料性能劣化是一個(gè)由表及里的發(fā)展過程，凍融損傷過程中，混凝土由凍融前的密實(shí)狀態(tài)逐步變成疏松狀態(tài)，在混凝土內(nèi)部形成大量的微裂縫，并且混凝土表面發(fā)生逐層剝落?，F(xiàn)有的室內(nèi)加速試驗(yàn)方法中普遍選用相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失率來評(píng)價(jià)凍融后混凝土的內(nèi)部損傷和表層剝落，但對(duì)實(shí)際工程而言，這兩個(gè)指標(biāo)較難準(zhǔn)確獲得，因此選擇混凝土表面剝落狀況作為凍融損傷的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，將凍融循環(huán)作用引起混凝土構(gòu)件表層水泥砂漿脫落、粗骨料外露，構(gòu)件表面剝落達(dá)到剝落率限值、剝落深度限值的狀態(tài)定義為混凝土表面剝落耐久性極限狀態(tài)。

耐久性等級(jí)評(píng)定 表1

凍融環(huán)境混凝土構(gòu)件表面剝落耐久性等級(jí)按表2進(jìn)行評(píng)定。

凍融環(huán)境混凝土構(gòu)件表面剝落耐久性等級(jí) 表2

凍融環(huán)境銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能劣化機(jī)理比較復(fù)雜。一方面，凍融引起的混凝土損傷加速了侵蝕介質(zhì)的滲透，造成混凝土對(duì)鋼筋保護(hù)作用降低，混凝土中鋼筋的銹蝕加劇。另一方面，銹蝕產(chǎn)物的積累更易引起混凝土保護(hù)層開裂，并加快銹脹裂縫的開展。因此，將鋼筋銹蝕極限狀態(tài)(包括鋼筋開始銹蝕極限狀態(tài)、混凝土保護(hù)層銹脹開裂極限狀態(tài))作為凍融環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定的另一個(gè)極限狀態(tài)。

對(duì)于一般凍融環(huán)境及寒冷地區(qū)海洋環(huán)境，凍融造成的混凝土材料損傷將加速碳化及氯離子侵蝕進(jìn)程[26]，進(jìn)而加快混凝土中的鋼筋銹蝕；目前上述環(huán)境中鋼筋銹蝕發(fā)展規(guī)律的研究成果不多，在耐久性評(píng)定時(shí)可通過調(diào)整局部環(huán)境系數(shù)以及氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別反映凍融損傷對(duì)混凝土中性化以及混凝土氯離子擴(kuò)散速率的影響。除冰鹽環(huán)境與海洋環(huán)境中鋼筋表面氯離子積累過程有很大不同，海洋環(huán)境中鋼筋表面的氯離子濃度由沉積速度控制，而除冰鹽環(huán)境鋼筋表面的氯離子濃度由滲透速度控制?？紤]除冰鹽提供的氯離子更為集中，持續(xù)時(shí)間較短，凍融損傷使氯離子滲透速度更快，除冰鹽環(huán)境鋼筋銹蝕通常比海洋環(huán)境鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重，建議通過實(shí)測(cè)確定鋼筋表面氯離子濃度準(zhǔn)確評(píng)定該環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

5.4 硫酸鹽侵蝕環(huán)境

混凝土的硫酸鹽侵蝕機(jī)制[27-28]分為化學(xué)腐蝕與鹽結(jié)晶腐蝕。其中，化學(xué)腐蝕產(chǎn)物主要為鈣礬石、石膏或碳硫硅鈣石[29]，具體取決于環(huán)境中硫酸鹽濃度、溫濕度和混凝土原材料。鹽結(jié)晶腐蝕的產(chǎn)物取決于侵蝕環(huán)境中鹽的類型與溫濕度，由于鹽析出過程中晶體的長(zhǎng)大會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部形成膨脹壓力，導(dǎo)致混凝土損傷、直至破壞?？紤]到鹽結(jié)晶腐蝕的復(fù)雜性以及現(xiàn)階段研究成果的局限性，現(xiàn)有耐久性評(píng)定方法主要針對(duì)腐蝕產(chǎn)物以鈣礬石為主的化學(xué)腐蝕進(jìn)行耐久性評(píng)定。

處于硫酸鹽侵蝕環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的腐蝕損傷分為表層剝落和內(nèi)部損傷，導(dǎo)致混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用降低，影響構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的使用壽命。對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，取腐蝕損傷深度達(dá)到鋼筋表面的狀態(tài)作為硫酸鹽侵蝕混凝土腐蝕損傷極限狀態(tài)，即以混凝土保護(hù)層完全喪失對(duì)鋼筋的保護(hù)作用作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)。對(duì)于素混凝土構(gòu)件，硫酸鹽侵蝕的影響主要表現(xiàn)在截面有效尺寸的減小，腐蝕損傷極限狀態(tài)采用構(gòu)件截面最小幾何尺寸的5%和70mm兩者中的較小值作為可接受的最大腐蝕深度。對(duì)截面尺寸小于或等于1 400mm的構(gòu)件，5%截面損傷對(duì)結(jié)構(gòu)安全性影響較小，但對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用影響較大，取截面最小尺寸的5%為可接受的最大腐蝕深度；對(duì)截面尺寸大于1 400mm的構(gòu)件，5%截面損傷混凝土表面會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重酥松剝落，考慮到大尺寸素混凝土構(gòu)件主要應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)中，參考水工混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度規(guī)定取70mm為可接受的最大腐蝕深度。

混凝土結(jié)構(gòu)遭受硫酸鹽腐蝕損傷剩余使用年限應(yīng)按下式確定：

(14)

式中：tre為結(jié)構(gòu)剩余使用年限；[X]為混凝土腐蝕損傷深度限值，mm；X為混凝土構(gòu)件腐蝕損傷深度，mm，即混凝土構(gòu)件剝落深度Xs與硫酸根離子濃度達(dá)到4%對(duì)應(yīng)的深度Xd之和；R為混凝土硫酸鹽腐蝕速率，mm/a，可采用ACI Committee 365報(bào)告《Service-Life Prediction》中的Atkinson傳輸反應(yīng)模型，按下式計(jì)算：

(15)

5.5 混凝土堿-骨料反應(yīng)

混凝土發(fā)生堿-骨料反應(yīng)[30]的三個(gè)必要條件：相當(dāng)數(shù)量的堿、相當(dāng)數(shù)量的堿活性骨料、使用環(huán)境有足夠的濕度。

堿-骨料反應(yīng)會(huì)造成混凝土內(nèi)部膨脹，混凝土中的堿含量越高，骨料的堿活性越強(qiáng)，可供堿骨料反應(yīng)的物質(zhì)就越多，混凝土堿-骨料反應(yīng)破壞就越嚴(yán)重?；炷林蠸iO2/Na2O比值會(huì)影響混凝土內(nèi)部的膨脹壓力，在一定含堿量條件下，各種堿活性骨料造成的膨脹壓力最大匹配比例不盡相同。目前對(duì)膨脹機(jī)理有反應(yīng)產(chǎn)物吸水膨脹理論和滲透壓理論兩種解釋，這兩種理論都要求有充足的水分存在，環(huán)境濕度越大，膨脹力越大。堿-骨料反應(yīng)導(dǎo)致混凝土大面積開裂，反應(yīng)產(chǎn)物向外滲透并在表面富集，混凝土表面狀況一定程度上反應(yīng)了堿-骨料反應(yīng)破壞的嚴(yán)重程度。因此，混凝土堿-骨料反應(yīng)耐久性等級(jí)可根據(jù)混凝土含堿量、骨料活性、混凝土表面狀況和服役環(huán)境進(jìn)行評(píng)定。

混凝土堿-骨料反應(yīng)耐久性等級(jí)應(yīng)根據(jù)是否具備反應(yīng)條件、堿-骨料反應(yīng)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)及反應(yīng)嚴(yán)重程度，按表3進(jìn)行評(píng)定，并應(yīng)取最低等級(jí)為評(píng)定等級(jí)。

混凝土堿-骨料反應(yīng)耐久性評(píng)定 表3

6 結(jié)構(gòu)耐久性綜合評(píng)定

結(jié)構(gòu)耐久性應(yīng)按評(píng)定單元的耐久性等級(jí)評(píng)定，而評(píng)定單元耐久性等級(jí)則根據(jù)其耐久性裕度系數(shù)確定。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單時(shí)，評(píng)定單元的耐久性裕度系數(shù)取受檢構(gòu)件耐久性裕度系數(shù)的算術(shù)平均值。當(dāng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，則根據(jù)結(jié)構(gòu)布置將評(píng)定單元按層或單榀排架劃分為若干子單元，再進(jìn)行評(píng)定；評(píng)定單元耐久性裕度系數(shù)取各子單元耐久性裕度系數(shù)的算術(shù)平均值。

子單元耐久性裕度系數(shù)應(yīng)根據(jù)構(gòu)件耐久性裕度系數(shù)按下式確定：

(16)

7 結(jié)語

把我國既有建筑物的使用壽命延長(zhǎng)一年，就相當(dāng)于新建上億平方米的房屋，或相當(dāng)于創(chuàng)造幾百億的經(jīng)濟(jì)效益。因此，科學(xué)評(píng)定既有混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，延長(zhǎng)既有建筑物的使用年限，對(duì)提升既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，有效發(fā)揮既有結(jié)構(gòu)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中的作用，符合國家節(jié)約資源、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和低碳節(jié)能的戰(zhàn)略需求，對(duì)于節(jié)能減排和減輕環(huán)境污染具有重要的社會(huì)效益。

我國幅員遼闊，各地環(huán)境條件與混凝土原材料均存在很大差異，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定時(shí)，應(yīng)廣泛調(diào)研，充分考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況和目標(biāo)使用年限內(nèi)可能受到的環(huán)境作用，分析其在耐久性方面存在的主要問題，進(jìn)一步了解和掌握既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性現(xiàn)狀，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其耐久性能。

現(xiàn)有方法在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定時(shí)主要考慮單一環(huán)境因素的影響，但實(shí)際結(jié)構(gòu)通常受多種環(huán)境因素共同作用。一般情況下，考慮主要環(huán)境因素影響得到的耐久性評(píng)定結(jié)果可以反映工程結(jié)構(gòu)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)；當(dāng)多種環(huán)境因素對(duì)結(jié)構(gòu)的影響都比較大時(shí)，耐久性評(píng)定需要同時(shí)考慮多種環(huán)境因素的耦合作用。受限于現(xiàn)有研究成果，還應(yīng)加強(qiáng)單因素和多因素耦合作用下混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理的研究，進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)體系。

致謝：在各位同仁的共同努力下，《既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51355—2019)已經(jīng)于2019年8月1日頒布實(shí)施，特向標(biāo)準(zhǔn)編制組成員和廣大同仁在編制過程中所提供的幫助表示衷心的感謝。